連接器插孔合件分離力工藝分析

雷廣宇

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

連接器插孔合件分離力工藝分析

雷廣宇

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

電連接器主要用于實(shí)現(xiàn)電信號的傳輸，該功能的實(shí)現(xiàn)是通過接觸件之間的彈性接觸來實(shí)現(xiàn)的，而接觸件彈性接觸的可靠性是通過接觸件的分離力來進(jìn)行表征。本文主要闡述連接器冠簧插孔分離力的計(jì)算與影響因素，并通過三維模型對插孔合件分離力進(jìn)行仿真分析。

可靠性;冠簧插孔;分離力;仿真

1 引言

該連接器接觸件采用的是柔性冠簧式插孔合件，由引腳、接觸圈、護(hù)管組成，如圖1所示。生產(chǎn)組裝流程是先將接觸圈裝入護(hù)管，吊分離力合格后，再將護(hù)管套在接觸件上進(jìn)行壓配鉚周圈。在產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)插孔合件分離力不合格，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度及產(chǎn)品產(chǎn)出率。通過平時(shí)公司內(nèi)部質(zhì)量信息分析，引腳、接觸圈、護(hù)管都對插孔合件分離力有一定的影響。

圖1 插孔合件

2 冠簧插孔分離力計(jì)算

圖2 接觸圈

連接器插合對接時(shí)，插針在接觸圈的最小內(nèi)徑(俗稱喉圓)處接觸，形成電氣連接。接觸圈及插針與接觸圈插合時(shí)如圖2、3所示。根據(jù)插孔合件結(jié)構(gòu)，分離力計(jì)算主要需要確定接觸圈的彈性臂長度、寬度和外圓尺寸。由連接器的接觸原理，插針插入后，在接觸圈喉圓圓周的一段區(qū)域接觸，同時(shí)接觸圈的一端固定，另一端可以沿插孔內(nèi)壁移動(dòng)，故可將其簡化為簡支梁力學(xué)模型，如圖4所示。

圖3 插針與接觸圈插合

圖4 接觸圈力學(xué)模型

1)簡支梁的最大撓度為:

2)集中力p作用于彈性臂中點(diǎn)時(shí)，其最大彎矩為:

3)最大彎曲應(yīng)力為:

4)對寬度為b，高度為h的矩形截面，其慣性矩為:

5)查表可知鈹青銅帶的［σ］=1127MPa、E= 127400 MPa。

由以上公式(1)、(2)、(3)、(4)推導(dǎo)出集中應(yīng)力為:

式中，η－彈性臂根數(shù)，μ－摩擦系數(shù)，金與金μ =0.2

故單腳分離力F為:

設(shè)計(jì)文件要求插孔合件單腳分離力為0.19N～0.6N，理論計(jì)算插孔合件單腳分離力在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

3 插孔合件零部件對分離力的影響

影響插孔合件分離力的因素是多方面的，涉及到“人”、“機(jī)”、“料”、“法”、“環(huán)”五個(gè)方面。從公司內(nèi)部質(zhì)量反饋信息上可知，對插孔合件分離力影響最大的是零件加工超差，特別是零件某些關(guān)鍵尺寸加工超差，對分離力的影響特別大。引腳、接觸圈、護(hù)管組裝后形成一封閉尺寸鏈圖，如圖5所示。對封閉環(huán)A0進(jìn)行尺寸鏈計(jì)算，理論上插孔合件護(hù)管頭部孔底與接觸圈端部的間隙A0為(0～0.315) mm。

圖5 封閉尺寸鏈圖

3.1 引腳對分離力的影響

圖6 引腳

3.2 接觸圈對分離力的影響

3.3 護(hù)管對分離力的影響

圖7 護(hù)管

圖8 插孔分離力合格時(shí)的內(nèi)部剖視圖

圖9 插孔分離力不合格時(shí)的內(nèi)部剖視圖

圖8與圖9分別為插孔分離力合格和不合格的內(nèi)部剖視圖。從圖可知，分離力合格的插孔合件，接觸圈端部與護(hù)管內(nèi)孔底部有一定的間隙，而分離力不合格的插孔合件，接觸圈端部與護(hù)管內(nèi)孔底部的間隙為0或?yàn)樨?fù)。

4 插孔分離力仿真分析

通過以上分離力影響因素的理論分析，引腳、接觸圈、護(hù)管三個(gè)零件超差均表現(xiàn)為影響接觸圈的初始高度，因此可以統(tǒng)一按接觸圈高度超差進(jìn)行分析，直接分析接觸圈四片被壓縮到接觸的極限情況。

4.1 仿真前處理

(1)模型簡化處理

護(hù)管主要限制接觸圈外徑，而引腳是限制接觸圈的軸向位移，因此可以將這兩個(gè)零件簡化掉，而用兩個(gè)邊界條件代替。因此，整個(gè)產(chǎn)品的接觸系統(tǒng)可以簡化為圖10的接觸圈和插針兩個(gè)零件。

圖10 仿真簡化模型

(2)邊界條件設(shè)置

設(shè)置整體邊界條件如圖11所示，固定接觸圈底面，0～1S先給接觸圈上表面一個(gè)軸向位移，模擬接觸圈裝入護(hù)管的過程，位移大小按接觸圈4片完全靠在一起來設(shè)定，最終設(shè)定為0.04mm。1S～2S給插針一個(gè)軸向位移，完成插入過程。

圖11 邊界條件設(shè)定

(3)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

護(hù)管材料設(shè)定為彈塑性材料，材料特性曲線如

圖12所示。

圖12 護(hù)管材料特性曲線

設(shè)定接觸圈和插針為一個(gè)接觸對，因?yàn)橛型勘Ｗo(hù)劑，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.1。

4.2 仿真結(jié)果

通過仿真分析得出接觸圈被軸向壓縮0.04mm時(shí)的整體徑向位移分布如圖13所示，腰部最細(xì)處內(nèi)徑(喉圓)由Φ0.5mm變?yōu)棣?.22mm左右，此時(shí)是接觸圈壓縮的極限情況。

圖13 接觸圈徑向位移分布圖

插入力曲線如圖14所示，可以看出接觸圈壓縮到極限時(shí)的插入力增大到3.4N。

圖14 插入力曲線

4.3 改型分析

為了便于比較，再分析一下接觸圈不被壓縮時(shí)的插入力情況，得出插入力曲線如圖15所示，可以看出插入力為0.22N，符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，說明設(shè)計(jì)的尺寸是沒有問題的。

圖15 原插入力曲線

5 結(jié)論

通過以上分離力影響因素的理論分析并結(jié)合實(shí)際，引腳、接觸圈、護(hù)管三個(gè)零件超差均表現(xiàn)為影響接觸圈的初始高度，由此影響插孔分離力大小。同時(shí)，通過仿真分析可以看出，接觸圈對于軸向壓縮非常敏感，在軸向壓縮僅0.04mm時(shí)就達(dá)到壓縮極限。此時(shí)，對應(yīng)插入力為3.4N，而正常情況下的插入力為0.22N。

分析該產(chǎn)品幾個(gè)零件的公差可以發(fā)現(xiàn)，裝入后接觸圈上端部和護(hù)管內(nèi)孔底部之間的間隙為(0～0.315)mm，但護(hù)管壓周圈時(shí)會(huì)導(dǎo)致護(hù)管整體長度變短，從而造成間隙為負(fù)，就會(huì)導(dǎo)致接觸圈被軸向壓縮。根據(jù)分析，軸向壓縮0.04mm時(shí)，插入力就會(huì)變成3.4N。因此，該產(chǎn)品的尺寸公差設(shè)計(jì)存在一定問題，需要增大間隙的下公差，以保證接觸圈在壓周圈時(shí)不會(huì)被軸向壓縮。

［1］ 趙仕彬.連接器技術(shù)教程，貴州航天電器股份有限公司內(nèi)部資料，2012.

［2］ 王濤.圓形切槽插孔正壓力及分離力研究，機(jī)電元件，2012.

10.3969/j.issn.1000－6133.2015.03.005

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1000－6133(2015)03－0016－05

2015－04－03

工藝與材料